Глава 8. Фаги - Г. И. Кац
Фаги - вирусы бактерий и ряда других микроорганизмов. В определенных условиях они вызывают лизис (растворение) своих хозяев. Действие фагов проявляется в природе и используется в практике.
История открытия и изучения фага. В 1898 г. Н. Ф. Гамалея показал, что фильтрат сибиреязвенных бацилл вызывает лизис свежих культур этих микроорганизмов. В 1915 г. Ф. Ту орт обнаружил, что белые непрозрачные колонии стафилококков становились прозрачными и исчезали и что агент, лизирующийстафилококки,проходитчерез бактериальныефильтры,сохраняя способность растворять свежие культуры этих микроорганизмов. Явление лизисамикроорганизмовбылоописано,но природаего неизучена.Вотпочему честь открытия бактериофага принадлежит канадскому ученому д'Эреллю.
Д'Эрелль (1917) изучал фильтраты испражнений, которые брал ежедневно у больного дизентерией и вносил в пробирки со свежезасеянной культурой возбудителя этой болезни. После инкубации в термостате культура вырастала. Но однажды она не выросла, а растворилась. Это совпало с началом выздоровления больного.
Д'Эрелль показал, что лизирующая способность фильтратов испражнений усиливалась при последовательных пассажах на свежих культурах бактерий. Из этого ученый сделал вывод, что растворяет их живой агент, проходящий через бактериальные фильтры, т. е. вирус. В настоящее время его точка зрения принята большинством ученых.
Открытый вирус д'Эрелль назвал бактериофагом* - пожирателем бактерий (от греч. фагос - пожирающий), а явление - бактериофагией.
* (В настоящее время чаще употребляют термин "фаг", так как подобные "пожиратели" встречаются также у грибов и водорослей.)
С открытием электронного микроскопа была подтверждена корпускулярная природа фага и изучена его морфология.
Открытие д'Эрелля привлекло внимание врачей, применивших фаг для лечения и профилактики ряда инфекционных болезней. В настоящее время фаги широко используют в медицинской практике и при различных биологических исследованиях. Фагами занимаются бактериологи, вирусологи, биохимики, генетики, биофизики, молекулярные биологи, экспериментальные онкологи, специалисты по генной инженерии и биотехнологии и т. д. Изучение фага продолжается, как одна из интереснейших глав биологии.
Свойства фагов
Природа фагов. Фаги, как считает большинство исследователей, - это организмы, которые подобно всем живым организмам способны размножаться, передавать потомству свои свойства и изменяться под воздействием различных факторов. Они могут инфицировать и разрушать только молодые развивающиеся клетки, являясь их паразитами.
Морфология фагов. Большинство фагов состоит из головки и хвостового отростка, поэтому их сравнивают с головастиками или сперматозоидами. Наиболее изучены Т-фаги кишечной палочки (рис. 21). Их отросток представляет собой полый цилиндр (стержень), покрытый чехлом и заканчивающийся базальной пластинкой с шипами и фибриллами. Размеры фагов, форма и величина головки, длина и строение отростка различны у разных фагов. Например, встречаются фаги с длинным отростком, чехол которого не сокращается, фаги с коротким отростком, без отростка и нитевидные (рис. 22).
Рис. 21. Строение фага Т-2. 1- головка; 2 - ДНК; 3- стержень; 4 - чехол; 5 - базальная пластинка; 6 - шипы; 7 - хвостовые фибриллы
Рекомендовано к изучению разделом по микробиологии сайта https://meduniver.com/
Рис. 22. Морфология фагов. 1 - фаги с головкой, отростком и сокращающимся чехлом; 2 - головка и отросток, без сократительной способности; 3 - головка и короткий отросток; 4 - бесхвостые фаги; 5 - нитевидные фаги
Химический состав фагов. Как и все вирусы, фаги состоят из нуклеиновой кислоты одного типа (чаще встречаются ДНК-фаги) и белка. Молекула нуклеиновой кислоты, скрученная в спираль, находится в головке фага. Оболочка фага (капсид) и отросток имеют белковую природу. На свободном конце отростка содержится литический фермент, обычно лизоцим или гиалуронидаза.
Специфичность фагов. Фаги обладают строгой специфичностью. Различают видовую специфичность, т. е. способность паразитировать только в определенном виде микроорганизмов. Именуют фаги обычно по названию микроба-хозяина (стрептококковый, стафилококковый, холерный, дизентерийный и т. д.). Фаги с более строгой специфичностью паразитируют только на определенных представителях данного вида - это типовые фаги. Фаги, лизирующие микроорганизмы близких видов, например видов, входящих в род возбудителей дизентерии (шигелл), называются поливалентными.
Взаимодействие фага с чувствительной клеткой проходит через последовательные стадии. Весь цикл занимает в разных системах фаг - бактерия от нескольких минут до 1-2 ч, Разберем последовательность этого процесса на примере Т-четного фага кишечной палочки.
Стадия I - адсорбция частиц фага на поверхностных рецепторах клетки осуществляется с помощью нитей хвостового отростка. На одной клетке могут адсорбироваться сотни фагов для лизиса клетки достаточно одного). Адсорбция фагов специфична.
Стадия II - проникновение (инъекция) нуклеиновой кислоты фага в клетки у разных фагов происходит по-разному. У Т-фагов кишечной палочки шипы базальной пластинки соприкасаются с клеточной стенкой. Стержень "прокалывает" клеточную стенку. Фермент, находящийся в отростке, чаще всего лизоцим, разрушает цитоплазматическую мембрану. При этом чехол
отростка сокращается, и через канал стержня нуклеиновая кислота фага "впрыскивается" в клетку. Пустая белковая оболочка фага ("тень") остается снаружи.
Стадия III - репродукция белка и нуклеиновой кислоты фага внутри клетки.
Стадия IV - сборка и формирование зрелых частиц фага.
Стадия V - лизис клетки и выход зрелых частиц фага из нее. Обычно происходит разрыв клеточной стенки и в окружающую среду выходит несколько сот новых фагов, способных поражать свежие клетки. Такой лизис называется лизисом изнутри (рис. 23).
Рис. 23. Схема основных этапов взаимодействия фага с бактериальной клеткой. 1 - внедрение нуклеиновой кислоты фага в клетку;2 - молодые, размножающиеся фаги; 3 - зрелые фаги; 4 - выделение фагов
В отличие от лизиса изнутри лизис извне происходит тогда, когда на клетке адсорбируется сразу очень большое количество фагов. Они проделывают в клеточной стенке многочисленные отверстия, через которые вытекает содержимое клетки. Таким образом при лизисе извне фаг не размножается, и количество его частиц не увеличивается.
По характеру действия на микроорганизмы различают вирулентные и умеренные фаги.
Рекомендовано к изучению разделом по микробиологии сайта https://meduniver.com/
Вирулентные фаги вызывают лизис зараженной клетки с выходом в окружающую среду большого количества фаговых частиц, способных поражать новые клетки. При этом культура микроорганизмов лизируется. Жидкая среда становится прозрачной - происходит образование фаголизата* - среды, в которой находится большое количество фагов. При развитии вирулентного фага в бактериях, растущих на плотной среде, образуются или прозрачные участки сплошного лизиса, или вырастают отдельные прозрачные образования - колонии фага. Их называют негативными колониями (бляшками). Колонии разных фагов отличаются по величине и структуре (рис.
24).
*(При дальнейшейинкубациифаголизата втермостатеможет наступить вторичноепомутнение среды
-размножаются оставшиеся живыми, устойчивые к фагу клетки Популяций.)
Рис. 24. Колонии фагов кишечной палочки. 1 - крупные; 2 - мелкие
Умеренные фаги лизируют не все клетки в популяции. С частью из них фаги вступают в симбиоз: нуклеиновая кислота фага (его геном) встраивается в хромосому клетки и получает название про фаг. Происходит образование единой хромосомы. Бактериальная клетка при этом не погибает. Профагу ставший частью генома клетки, при ее размножений может передаваться неограниченному числу потомков, т. е. новым клеткам. Явление симбиоза микробной клетки с умеренным фагом (профагом) носит название лизогения, а культура, в которой имеется профаг, называется лизогенной. Это название отражает способность профага спонтанно покидать хромосому клетки и, переходя в цитоплазму, превращаться в вирулентный фаг. Те клетки культуры, в которых образовался вирулентный фаг, погибают (лизируются), остальные сохраняют лизогенность.
Лизогенные культуры по своим основным свойствам не отличаются от исходных, но они устойчивы к повторному заражению одноименным фагом. При действии на лизогенную культуру проникающего излучения (определенных доз и экспозиции рентгеновских, космических лучей),